一種基于數據驅動的單交叉口動態交通信號控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能交通控制與管理技術領域，設及一種基于數據驅動的單交叉口動 態交通信號控制方法。
【背景技術】
[0002] 城市交叉口是城市道路交通管理與控制的主要對象，合理利用現有道路交通設 施，通過交叉口交通信號的優化控制，可使交叉口交通沖突車流時空分離，提升交叉口的通 行效率，成為了解決交通問題的有效途徑。然而，道路交通系統是一個復雜的非線性時變系 統，傳統的信號控制方法使用簡化后的系統進行數學建模，往往很難實現對交叉口的最優 控制。隨著道路交通數據采集技術的日趨成熟，在微觀上對于交叉口車輛檢測的精度得到 了有效的提升，通過運種高精度數據可W準確記錄每一輛車踏上檢測器和離開檢測器的時 間，得到每一輛車的占有率數據，從而實現對車輛旅行時間、停駛次數、排隊長度等多個交 通參數的估算，使通過數據驅動的方式進行交叉口信號優化控制成為可能。
[0003] 目前，傳統的交叉口信號控制方法一般依靠視頻、微波、線圈和地磁等采集方式獲 取流量等較為單一的交通流數據，W控制周期較小的過程為控制對象，對控制系統進行簡 化建模，分析模型并制定相應的信號控制策略，并重點根據排隊長度的實時變化來調整交 叉口信號配時。方法所獲數據精度不高，模型過于理想化，缺乏應用的普適性，控制效果并 不理想。特別是，由于交叉口狀態的時變性和多樣性，傳統控制方法還存在建模復雜和修改 困難的問題。因此，通過高精度數據的獲取，W較少的先驗知識，運用數據驅動控制算法建 立自適應的交叉口信號燈控制方法，避免對復雜交通系統的建模，通過迭代學習方法實現 對交叉口信號燈的動態交通控制，具有十分重要的意義。
[0004] 現有的一些專利中，已有一些對交叉口進行動態交通信號控制的方法。申請號為： 201410432540. 7,專利《擁堵交叉路口信號配時方法及交通信號燈控制系統》中提出了一種 擁堵交叉路口的信號配時方法及地感和監控系統，該方法通過攝像監控系統反饋交叉口車 輛運行狀態信息，從而計算交通流量等數據實現對交叉口信號燈的控制，獲取的數據精度 不高，信號配時方案不夠精確；申請號為：201310167669. 5,專利《一種自適應的交叉口信 號控制方法》中提供了一種自適應的交叉口信號控制方法，該方法也通過安裝車輛檢測器 獲取交通流數據，但并沒有運用非模型化的數據驅動算法，只是根據排隊長度的不同比例 動態調整下一周期的信號配時方案，計算較為復雜，也不能很好地適應交通流多變的復雜 情況；申請號為：201310049862. 9,專利《一種動態自適應交通信號控制裝置及方法》中提 出了利用包含多個視頻檢測器的交通信號控制裝置對交通信號進行動態自適應控制的方 法，實時圖像處理的計算量非常大，價格昂貴，所獲數據精度不高，且控制方法也未考慮到 且視頻檢測易受天氣影響等弊端，系統的可靠性較差。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述問題，本發明針對交通系統的時變性和多樣性特點，提出一種基于 高精度數據的單交叉口動態交通信號控制方法，無需對交通系統進行復雜建模，通過數據 驅動控制方法，實現對交叉口信號配時的動態優化。
[0006] 一種基于數據驅動的單交叉口動態交通信號控制方法，包括W下幾個步驟：
[0007] 步驟1 :高精度數據的采集；
[0008] 步驟2 :信號控制器控制執行；
[0009] 步驟3 :交叉口性能指標評價；
[0010] 步驟4 :信號配時迭代優化。
[0011] 本發明的優點在于：
[0012] (1)本發明基于傳感器檢測到的高精度數據，該數據可W準確記錄車輛踏上和離 開檢測器的準確時間，從而可W推算綠燈時長W及檢測器空閑時間，使得動態交通信號控 制的效能得到更大的發揮，保證了交叉口內部區域始終可被利用，一定程度上為城市路網 的通達性提供了保障。
[0013] (2)本發明可將各相位車輛的通行狀態信息反饋到交叉口信號控制系統，一定程 度上避免了交叉口內部排隊導致的"死鎖"，保證了交叉口內部空間的車輛利用率，使得高 峰時段負荷較高的交叉口擁堵發生的可能性降低，或大面積區域擁堵蔓延速度變緩。
[0014] (3)本發明提出一種模糊自適應PD迭代學習控制算法，將其用于單交叉口動態交 通信號控制。利用模糊邏輯確定PD學習律的隸屬度參數，該模糊規則考慮到駕駛員的適應 性，避免了綠燈時間的小范圍波動。算法通過每次迭代綠燈時間的少量變化，使信號控制能 夠適應交通流需求的變化，W達到精確控制和快速收斂的目的。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明中交叉口檢測器布設圖；
[0016] 圖2為本發明交叉口相位分布圖；
[0017] 圖3為本發明中性能評價指標y(k，i)的隸屬度函數圖；
[001引圖4為本發明中Ay化，i)的隸屬度函數圖；
[0019] 圖5為本發明中交叉口模糊PD迭代學習控制系統圖；
[0020] 圖6為本發明中單交叉口動態交通信號控制流程圖；
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步闡述。
[0022] 本發明的一種基于數據驅動的單交叉口動態交通信號控制方法是通過下述步驟 實現的，主要包括高精度數據采集、信號控制器控制執行、交叉口性能指標評價、信號配時 迭代優化，具體的如下所示：
[002引步驟1 :高精度數據的采集；
[0024] 1)確定單交叉口的相位數W及相位分布；
[002引2)高精度數據的采集是基于美國明尼蘇達大學的SMART-SIGNAL系統，該系統 集成了數據收集，數據存儲和數據分析，可W不斷收集并存儲高分辨率的交通狀態數據 及車輛狀態數據，由此可W識別交通狀態改變的關鍵轉折點，包括每一個車輛檢測驅動 和每一個信號相位的變化。每條數據都包括時間戳、當前信號狀態或車輛檢測驅動狀態 和當前狀態的持續時間等標識。獲取的有效數據如"08:09:15. 481，D8off, 0.468s"和 "08:09:16. 761，G3off, 29. 389s"，其中，第一個字段代表某個車輛驅動事件發生或信號狀 態變化的時刻；第二個字段代表當前檢測器檢測到的車輛或信號狀態，如"D8off"表示車 輛離開檢測器#8，"G3off"表示相位#3的綠燈時間結束；第Ξ個字段表示車輛占用檢測器 的時間或信號相位的持續時間。
[0026] 高精度數據的采集依靠車道上安裝的檢測器，檢測器的布設規則如下：檢測器成 組安裝，每個相位至少一組檢測器，每組包含兩個檢測器，每個檢測器編號為i，P，q，依次代 表相位號i，組號P，檢測器號q(其中，q= 1或2)。此外，每個檢測器都有一個權重系數， 代表其測量值在本組所占的權重。一般取為0. 5,可根據實際情況進行調整，每組檢測器的 權重系數和滿足
Y若某一相位包含多條車道，則選取車流量最大的一條安裝一 組檢測器。若某一相位包含多個方向的車流，則需對每個方向均安裝一組檢測器。
[0027] 檢測器的具體安裝如圖1所示，每組有兩個檢測器，一個為停車線檢測器（q= 1)， 位于停車線下游，一個為路段檢測器（q= 2)，安裝在路口上游的路段2/^3位置處，一般建議 安裝在距離該進口道的停車線120米到150米左右。在路段長度小于120米的情況下，優 先考慮遠離該進口道的停車線，避免車輛排隊占用檢測器導致占有率數據異常。如222為 路段檢測器，其權重系數為0. 4,可W估測車輛到達需求；221為停車線檢測器，其權重系數 為0. 6,可W估測車輛排隊長度。由于路段檢測器可能存在被排隊車輛占用導致數據異常的 情況，故使得下游停車線檢測器權重系數略大于路段檢測器。
[0028] 3)按交叉口每天的早高峰時段、午低峰時段、晚高峰時段及一般平峰時段劃分各 時段，采集N個信號周期內（每次更新后的交叉口信號配時運行N個信號周期）綠燈時間 內的各個進口道的交通量，換算為小時交通量，將第k次優化后得到的相位i的交通量記為 >-:盧，整個交叉口各進口道的交通量之和為範k，:W采集時間為橫軸，民切7 為縱軸繪制曲 線，從而確定各個相位的實時交通狀態變化。
[0029] 4)在交叉口各相位各車道上安裝的車輛檢測器檢測到的高精度數據有：第k個優 化周期內，每個停車線車輛檢測器采集的第m個信號周期化=2, 3, 4…）第i相位的紅燈 啟亮時刻I：""，第m個信號周期第i相位的綠燈啟亮時刻I；""'％同理，第m-1個信號周期第 i相位的紅燈啟亮時刻第m-i個信號周期第i相位的綠燈啟亮時刻則交叉 口第k次優化后第i相位的綠燈時間為
[0030]
[0031] 某輛車在第k次優化后，每個周期每輛車在相位i的綠燈時間內，踏上P組q號檢 測器的時間為t。。(i，P，q)k，離